CN104848825B - 泥石流排导槽肋槛后沟床最大冲刷深度的测算方法及应用 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种泥石流排导槽肋槛后最大冲刷深度的测算方法及应用。所述测算方法首先确定排导槽设计纵比降、肋槛间设计间距、肋槛高出沟床的设计高度、排导槽设计宽度，然后确定泥石流体重度和沟床泥沙重度、泥石流粘滞系数和泥石流屈服应力，接着确定泥石流泥深和泥石流流速，最后通过肋槛后沟床最大冲刷深度测算公式确定软基消能型泥石流排导槽肋槛后部沟床最大冲刷深度。该方法综合考虑沟床条件和泥石流自身特性，并结合肋槛后部冲刷特点，通过理论推导得到排导槽肋槛后最大冲刷深度计算公式，能合理确定不同情况下的肋槛后沟床最大冲刷深度，为泥石流灾害防治工程设计提供科学依据，且该测算方法计算简便，适应工程需要。

Description

泥石流排导槽肋槛后沟床最大冲刷深度的测算方法及应用

技术领域

本发明涉及一种软基消能型泥石流排导槽肋槛后部沟床最大冲刷深度的测算方法，及其在防治工程中肋槛基础埋深设计时的应用。

背景技术

泥石流灾害是山地灾害的主要类型之一，每年都会造成数亿元的经济损失。目前来说，泥石流排导槽是防治泥石流灾害的一种有效的工程措施。在长期的泥石流防灾减灾实践中，泥石流排导槽的形式逐渐形成并完善；目前常用的泥石流排导槽形式之一为软基消能型排导槽，这种排导槽采用分离式挡土墙——肋槛组合结构，充分利用了沟床和肋槛对泥石流的消能作用，确保了山洪和泥石流的安全排泄。

目前，软基消能型排导槽主要面临的问题之一为肋槛基础易受泥石流冲刷，进而导致失稳破坏，影响排导工程的继续运行。调查统计结果表明，汶川地震后，震区排导槽受泥石流冲刷排导槽侧墙、肋槛基础，导致其发生错落损毁的比例为30％，为主要的损毁模式。根据《泥石流防治工程设计规范》(DZ/T0239-2004)，软基消能型泥石流排导槽防冲肋槛的基础埋深推荐值为1.5～4.0m，最大埋深值是最小埋深值的2.7倍，这种情况下，在排导槽肋槛设计时很难准确确定肋槛的设计埋深。如果设计时取小值，排导槽工程运行过程中，肋槛后部可能由于泥石流冲刷作用，导致失稳破坏，进而导致排导槽工程的破坏；如果设计时取大值，就会导致施工成本的增加。因此，在泥石流排导工程设计时，准确地测算排导槽槛后沟床最大冲刷深度，进而合理地设计肋槛基础埋深，是排导槽工程设计时需要考虑的关键因素之一。

发明内容

本发明的目的就是针对现有技术的不足，提供一种软基消能型泥石流排导槽肋槛后沟床最大冲刷深度的测算方法及其应用，该方法基于理论推导，能够合理确定软基消能排导槽肋槛后沟床最大冲刷深度，为肋槛基础埋深的设计提供依据，计算简便，计算结果精度高，能适应实际工程需要。

为实现上述目的，本发明的技术方案是：

本发明提出一种软基消能型泥石流排导槽肋槛后部沟床最大冲刷深度的测算方法，基于能量法的理论推导如下：

假设排导槽设计纵比降为I₀，肋槛后沟床最大冲刷深度为h₀。绘制泥石流在排导槽内的流动示意图，如图1所示，以断面2-2上点O为基准点，分别对1-1断面和2-2断面进行能量分析。设断面1-1处，泥石流流速为v₁，泥深为h₁，单宽流量为Q₁；断面2-2处，泥石流流速为v₂，泥深为h₂，单宽流量为Q₂；断面3-3处，泥石流流速为v₃，泥深为h₃，单宽流量为Q₃。

1、单宽流量的计算

假设泥石流排导槽设计流量为Q₀，排导槽设计宽度为B。取断面1-1进行分析，首先求出排导槽内泥石流单宽流量Q₁：

泥石流流速可以用泥深和排导槽设计纵比降来表示如下：

公式2中，1/n_c为泥石流排导槽沟床糙率系数。

单宽流量可以用公式3表示：

根据公式3和公式1，可以求出泥石流在断面1-1处泥深为：

2、断面能量表示

如附图1所示，以断面2-2上O点为基准，断面1-1处所具有的能量E₁由两部分构成，即流体具有的动能E_a1和O点的高差所产生的势能E_k：

公式5-7中，γ₁为泥石流体重度，1/n_c为泥石流排导槽沟床糙率系数，h₁为断面1-1处泥深，△h为肋槛高出沟床的设计高度，L为肋槛间设计间距，g为重力加速度。

断面2-2处所具有的势能E₂为：

公式8中，γ₁为泥石流体重度，1/n_c为泥石流排导槽沟床糙率系数，h₂为断面2-2处泥深。

3、消耗能量表示

断面1-1和断面2-2之间消耗能量主要由两部分组成，第一部分是泥石流在排导槽内运动过程中沿程能耗，沿程能耗表示E₃：

公式9中，τ_w为泥石流与排导槽沟床摩擦阻力，L为肋槛间设计间距，η为泥石流粘滞系数，v₃为断面3-3处泥石流流速，h₃为断面3-3处泥深，τ_b为泥石流屈服应力。其中，η和τ_b可通过对泥石流体的流变实验得出。

第二部分是泥石流从上游越过肋槛冲击到下游沟床，将下游沟床物质带走，形成侵蚀坑所需能量。这部分能量主要为克服沟床物质重力所做的功，用E₄表示：

公式10中，W_s为肋槛后侵蚀坑内泥沙有效重力，h₀为肋槛后沟床最大冲刷深度，γ₂为沟床泥沙重度，γ₀为水的重度。

根据能量守恒定理，

E₁＝E₂+E₃+E₄ 公式11

假设泥石流在排导槽内运动达到稳态时，肋槛后沟床最大冲刷深度不再增加，断面1-1、断面2-2和断面3-3处泥石流流速和泥深都相同，即泥石流流速v＝v₁＝v₂＝v₃，泥石流泥深h＝h₁＝h₂＝h₃，对公式12化简处理，即可求出肋槛后沟床最大冲刷深度公式：

本发明在上述计算理论分析基础之上，提出一种软基消能型泥石流排导槽肋槛后沟床最大冲刷深度的测算方法。具体而言，所述软基消能型泥石流排导槽包括若干按一定间距设置的槽底横向贯穿型肋槛及其两侧的排导槽侧墙，肋槛后沟床最大冲刷深度的测算方法步骤如下：

(一)通过大比例尺地形图测量计算或现场调查实测，确定排导槽设计纵比降I₀；通过现场调查，并结合工程实际情况，确定肋槛间设计间距L、肋槛高出沟床的设计高度△h、排导槽设计宽度B，单位均为m。肋槛高出沟床的设计高度△h取值范围为0-1m。

(二)通过泥石流容重计算公式计算或实际取样实测，确定泥石流体重度γ₁，单位kN/m³；通过实际取样实测，确定沟床泥沙重度γ₂，单位kN/m³。

(三)通过对泥石流体的流变实验，确定泥石流粘滞系数η，单位Pa.s；通过对泥石流体的流变实验，确定泥石流屈服应力τ_b，单位Pa。

(四)根据当地水文手册，采用小流域水文计算方法确定洪峰流量，然后采用洪峰流量与泥石流峰值流量的配方法关系式，确定泥石流峰值流量Q，单位m³/s；接着根据公式确定泥石流泥深h、单位m，式中，Q为泥石流峰值流量、单位m³/s，1/n_c为沟床糙率系数、取值为7-15、根据排导槽设计纵比降、泥石流体特性、排导槽沟床特征等相关参数确定，B为排导槽设计宽度、单位m、由步骤(一)确定，I₀为排导槽设计纵比降、由步骤(一)确定；然后将泥石流泥深h代入公式确定泥石流流速v、单位m/s，式中，1/n_c为沟床糙率系数、取值为7-15、根据排导槽设计纵比降、泥石流体特性、排导槽沟床特征等相关参数确定，I₀为排导槽设计纵比降、由步骤(一)确定。

(五)通过以下公式确定肋槛后沟床最大冲刷深度h₀

式中，h₀—肋槛后沟床最大冲刷深度，单位m；

γ₁—泥石流体重度，单位kN/m³，由步骤(二)确定；

γ₂—沟床泥沙重度，单位kN/m³，由步骤(二)确定；

γ₀—水的重度，取值9.8kN/m³；

v—泥石流流速，单位m/s，由步骤(四)确定；

h—泥石流泥深，单位m，由步骤(四)确定；

△h—肋槛(1)高出沟床的设计高度，单位m，由步骤(一)确定；

I₀—排导槽设计纵比降，由步骤(一)确定；

L—肋槛(1)间设计间距，单位m，由步骤(一)确定；

η—泥石流粘滞系数，单位Pa.s，由步骤(三)确定；

τ_b—泥石流屈服应力，单位Pa，由步骤(三)确定；

g—重力加速度，取值9.8m/s²。

上述软基消能型泥石流排导槽肋槛后沟床最大冲刷深度的测算方法适用于软基消能型泥石流排导槽肋槛基础埋深的确定；将测算得到的肋槛后沟床最大冲刷深度h₀加上基础安全超深，即得到肋槛基础埋深；所述基础安全超深为0.5m。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：综合考虑沟床条件和泥石流自身特性，并结合肋槛后部冲刷特点，通过理论推导得到排导槽肋槛后沟床最大冲刷深度计算公式，能合理确定不同情况下的肋槛后沟床最大冲刷深度，为泥石流灾害防治工程设计提供科学依据，且该测算方法计算简便，适应工程需要。

附图说明

图1是泥石流在软基消能型排导槽内的流动示意图。

图2是软基消能型泥石流排导槽的俯视示意图。

图中标号如下：

10肋槛 20侧墙

I₀排导槽设计纵比降 L肋槛间设计间距

h₀肋槛后沟床最大冲刷深度 B排导槽设计宽度

△h肋槛高出沟床的设计高度

v₁断面1-1处泥石流流速 h₁断面1-1处泥深

v₂断面2-2处泥石流流速 h₂断面2-2处泥深

v₃断面3-3处泥石流流速 h₃断面3-3处泥深

O点 势能计算基准点

具体实施方式

下面结合附图，对本发明的优选实施例作进一步的描述。

实施例一

如图1、图2所示。某泥石流沟是一条中型泥石流沟，流域海拔高度为1920m～3500m，流域面积12.2km²。该沟曾多次爆发泥石流，严重威胁当地人民生命财产安全。为了减轻泥石流灾害，拟在该泥石流堆积扇上修建排导槽工程。所述泥石流排导槽包括若干按一定间距设置的槽底横向贯穿型肋槛10及其两侧的排导槽侧墙20，排导槽总长1km，下面对肋槛10的基础埋深进行设计，步骤如下：

第一步，通过大比例尺地形图测量计算，确定排导槽设计纵比降I₀为0.10；通过现场调查，并结合工程实际情况，确定肋槛10间设计间距L为12m、肋槛10高出沟床的设计高度△h为0.2m、排导槽设计宽度B为15m。

第二步，通过泥石流容重计算公式计算，确定泥石流体重度γ₁为18kN/m³；通过实际取样实测，确定沟床泥沙重度γ₂为23kN/m³。

第三步，通过对泥石流体的流变实验，确定泥石流粘滞系数η为27.5Pa.s；通过对泥石流体的流变实验，确定泥石流屈服应力τ_b为164Pa。

第四步，根据当地水文手册，采用小流域水文计算方法确定洪峰流量，然后采用洪峰流量与泥石流峰值流量的配方法关系式，确定泥石流峰值流量Q为350m³/s；接着根据公式确定泥石流泥深h为3.1m，式中，Q为泥石流峰值流量、取值350m³/s，1/n_c为沟床糙率系数、取值11，B为排导槽设计宽度、取值15m，I₀为排导槽设计纵比降、取值0.10；然后将泥石流泥深h代入公式确定泥石流流速v为7.5m/s，式中，1/n_c为沟床糙率系数、取值11，I₀为排导槽设计纵比降、取值0.10。

第五步，通过以下公式确定肋槛10后沟床最大冲刷深度h₀

第六步，将肋槛10后沟床最大冲刷深度h₀加上基础安全超深0.5m，即得到肋槛10基础埋深为3.9m。

实施例二

如图1、图2所示。某泥石流沟是一条十分活跃的粘性泥石流沟。该沟流域面积为3.7km²，主沟长2.5km，流域最高点高程3061m，最低点高程2400m。该沟频繁暴发泥石流，给当地交通、工农业生产和市区安全造成了严重威胁。为了减轻泥石流灾害，拟在该沟堆积扇上修建泥石流排导槽。所述泥石流排导槽包括若干按一定间距设置的槽底横向贯穿型肋槛10及其两侧的排导槽侧墙20，下面对肋槛10的基础埋深进行设计，步骤如下：

第一步，通过现场调查实测，确定排导槽设计纵比降I₀为0.08；通过现场调查，并结合工程实际情况，确定肋槛10间设计间距L为15m、肋槛10高出沟床的设计高度△h为0.2m、排导槽设计宽度B为10m。

第二步，通过实际取样实测，确定泥石流体重度γ₁为19kN/m³；通过实际取样实测，确定沟床泥沙重度γ₂为21kN/m³。

第三步，通过对泥石流体的流变实验，确定泥石流粘滞系数η为9.6Pa.s；通过对泥石流体的流变实验，确定泥石流屈服应力τ_b为109Pa。

第四步，根据当地水文手册，采用小流域水文计算方法确定洪峰流量，然后采用洪峰流量与泥石流峰值流量的配方法关系式，确定泥石流峰值流量Q为100m³/s；接着根据公式确定泥石流泥深h为2.3m，式中，Q为泥石流峰值流量、取值100m³/s，1/n_c为沟床糙率系数、取值9，B为排导槽设计宽度、取值10m，I₀为排导槽设计纵比降、取值0.08；然后将泥石流泥深h代入公式确定泥石流流速v为6.4m/s，式中，1/n_c为沟床糙率系数、取值9，I₀为排导槽设计纵比降、取值0.08。

第五步，通过以下公式确定肋槛10后沟床最大冲刷深度h₀

第六步，将肋槛10后沟床最大冲刷深度h₀加上基础安全超深0.5m，即得到肋槛10基础埋深为2.3m。

Claims (5)

1.一种泥石流排导槽肋槛后沟床最大冲刷深度的测算方法，所述泥石流排导槽包括若干按一定间距设置的槽底横向贯穿型肋槛(10)及其两侧的排导槽侧墙(20)，其特征在于：肋槛(10)后沟床最大冲刷深度的测算方法步骤如下：

(一)通过大比例尺地形图测量计算或现场调查实测，确定排导槽设计纵比降I₀；通过现场调查，并结合工程实际情况，确定肋槛(10)间设计间距L、肋槛(10)高出沟床的设计高度△h、排导槽设计宽度B，单位均为m；

(二)通过泥石流容重计算公式计算或实际取样实测，确定泥石流体重度γ₁，单位kN/m³；通过实际取样实测，确定沟床泥沙重度γ₂，单位kN/m³；

(三)通过对泥石流体的流变实验，确定泥石流粘滞系数η，单位Pa.s；通过对泥石流体的流变实验，确定泥石流屈服应力τ_b，单位Pa；

(四)根据当地水文手册，采用小流域水文计算方法确定洪峰流量，然后采用洪峰流量与泥石流峰值流量的配方法关系式，确定泥石流峰值流量Q，单位m³/s；接着根据公式确定泥石流泥深h、单位m，式中，Q为泥石流峰值流量、单位m³/s，1/n_c为沟床糙率系数、取值为7-15，B为排导槽设计宽度、单位m、由步骤(一)确定，I₀为排导槽设计纵比降、由步骤(一)确定；然后将泥石流泥深h代入公式确定泥石流流速v、单位m/s，式中，1/n_c为沟床糙率系数、取值为7-15，I₀为排导槽设计纵比降、由步骤(一)确定；

(五)通过以下公式确定肋槛(10)后沟床最大冲刷深度h₀

$h_0=\sqrt{\frac{2{\mathrm{\γ}}_{1}vh(\mathrm{\Δ}h+I_{0}L)}{({\mathrm{\γ}}_2-{\mathrm{\γ}}_0)}-\frac{6\mathrm{\η}vL}{h({\mathrm{\γ}}_2-{\mathrm{\γ}}_0)g}-\frac{3{\mathrm{\τ}}_{b}L}{({\mathrm{\γ}}_2-{\mathrm{\γ}}_0)g}}$

式中，h₀—肋槛(10)后沟床最大冲刷深度，单位m；

γ₁—泥石流体重度，单位kN/m³，由步骤(二)确定；

γ₂—沟床泥沙重度，单位kN/m³，由步骤(二)确定；

γ₀—水的重度，取值9.8kN/m³；

v—泥石流流速，单位m/s，由步骤(四)确定；

h—泥石流泥深，单位m，由步骤(四)确定；

△h—肋槛(10)高出沟床的设计高度，单位m，由步骤(一)确定；

I₀—排导槽设计纵比降，由步骤(一)确定；

L—肋槛(10)间设计间距，单位m，由步骤(一)确定；

η—泥石流粘滞系数，单位Pa.s，由步骤(三)确定；

τ_b—泥石流屈服应力，单位Pa，由步骤(三)确定；

g—重力加速度，取值9.8m/s²。

2.根据权利要求1所述的泥石流排导槽肋槛后沟床最大冲刷深度测算方法，其特征在于：肋槛(10)高出沟床的设计高度△h取值范围为0-1m。

3.如权利要求1所述的泥石流排导槽肋槛后沟床最大冲刷深度测算方法的应用，其特征在于：适用于软基消能型泥石流排导槽肋槛(10)基础埋深的确定。

4.根据权利要求3所述的泥石流排导槽肋槛后沟床最大冲刷深度测算方法的应用，其特征在于：将肋槛(10)后沟床最大冲刷深度h₀加上基础安全超深，即得到肋槛(10)基础埋深。

5.根据权利要求4所述的泥石流排导槽肋槛后沟床最大冲刷深度测算方法的应用，其特征在于：所述基础安全超深为0.5m。